Optical Waveguide-based Spider Web Enables Resilient Impact Detection and Localization

📄 arXiv: 2506.22472v1 📥 PDF

作者: Dylan Wilson, Marco Pontin, Peter Walters, Perla Maiolino

分类: eess.SP, cs.RO

发布日期: 2025-06-20

💡 一句话要点

提出光波导蜘蛛网以解决冲击检测与定位问题

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 光波导 冲击检测 生物启发 环境感知 软机器人 结构监测 振动传递 实时检测

📋 核心要点

  1. 现有的冲击检测方法在环境变化和传感器故障情况下表现不佳，难以实现高效的定位与识别。
  2. 本文提出了一种仿生光波导系统，通过模拟蜘蛛网的结构，实现韧性冲击检测与定位。
  3. 实验结果表明，系统在相邻波导间的振动传递延迟为5毫秒，显著提升了定位能力和事件识别的可靠性。

📝 摘要（中文）

蜘蛛利用其网作为多功能工具，通过振动捕捉和定位猎物以及进行环境感知。受其生物功能启发，本文提出了一种基于光波导的蜘蛛网系统，用于韧性冲击检测和定位。该结构由六个透明热塑性聚氨酯（TPU）波导径向排列，并通过螺旋TPU线相互连接，模拟了圆网蜘蛛的网。通过耦合LED和光电二极管测量振动引起的光传输损失，实现实时检测。我们系统性地表征了各个波导，分析了张力、冲击位置和断裂角度等关键参数，以优化振动响应。完整系统通过控制实验验证，揭示了相邻半径之间振动传递的5毫秒传播延迟，增强了定位能力。我们展示了一种基于时间延迟分析的稳健冲击检测和定位算法，即使在传感器故障情况下也能实现可靠事件识别。该研究突出了仿生光波导结构在自适应传感中的潜力，具有在软机器人、结构监测和环境感知等领域的应用前景。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决现有冲击检测方法在环境变化和传感器故障情况下的局限性，尤其是在定位精度和可靠性方面的不足。

核心思路：论文提出了一种基于光波导的蜘蛛网结构，利用振动引起的光传输损失进行实时冲击检测和定位，模仿自然界中蜘蛛网的功能。

技术框架：整体架构包括六个径向排列的TPU波导和一个螺旋TPU线，光源和传感器通过耦合方式实现光信号的传输和检测。系统通过控制实验进行验证，分析关键参数以优化性能。

关键创新：最重要的技术创新在于将生物启发的光波导设计应用于冲击检测，提供了一种新颖的解决方案，显著提高了系统的韧性和可靠性。

关键设计：关键参数包括波导的张力、冲击位置和断裂角度，采用LED和光电二极管进行光信号的耦合与检测，确保系统在不同环境条件下的稳定性和响应速度。

📊 实验亮点

实验结果显示，相邻波导间的振动传递延迟为5毫秒，显著提升了系统的定位能力。此外，提出的冲击检测和定位算法在传感器故障情况下仍能实现可靠的事件识别，展现了系统的鲁棒性。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括软机器人、结构监测和环境感知等。通过仿生光波导结构，能够实现高效的冲击检测和定位，具有广泛的实际价值和未来影响，尤其是在需要高灵敏度和可靠性的场景中。

📄 摘要（原文）

Spiders use their webs as multifunctional tools that enable capturing and localizing prey and more general environmental sensing through vibrations. Inspired by their biological function, we present a spider web-inspired optical waveguide system for resilient impulse detection and localization. The structure consists of six clear thermoplastic polyurethane (TPU) waveguides arranged radially and interconnected by a spiral TPU thread, mimicking orb spider webs. Light transmission losses, induced by vibrations, are measured via coupled LEDs and photo-diodes, allowing real-time detection. We systematically characterize individual waveguides, analyzing key parameters such as tension, impulse position, and break angle to optimize vibrational response. The complete system is validated through controlled experiments, revealing a 5 ms propagation delay in vibration transfer between adjacent radii, enhancing localization capabilities. We demonstrate a robust impulse detection and localization algorithm leveraging time delay analysis, achieving reliable event identification even in cases of sensor failure. This study highlights the potential of bioinspired optical waveguide structures for adaptive sensing, with applications in soft robotics, structural monitoring, and environmental sensing.